Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 49
Текст из файла (страница 49)
Это время жизни порядка 10-3 с.Возбужденный уровень 4 атома неона по энергии очень близок к уровню 5 гелия (разницав энергии составляет 0,04 эВ).Для создания инверсии населенностей используют электрическую накачку. Приразряде за счет неупругих соударений с быстрыми электронами происходит возбуждениеатомов гелия: атомы гелия переходят из основного состояния 1 в возбужденноеметастабильное состояние 5 по схеме Не(1)+ē→Не(5)+е, где число в скобках означаетномер уровня на рис. 15.14, а ē и е — быстрый и медленный электроны. В результатесоударения кинетическая энергия электрона уменьшается.Появившиеся в результате разряда возбужденные атомы гелия сталкиваются сневозбужденными атомами неона — другого газа смеси.
В результате неупругихсоударений возбужденный атом гелия Не (5) передает свою кинетическую энергиюневозбужденному атому неона Ne (1) и переходит в основное состояние Не(1).При этом невозбужденный атом неона переходит в возбужденное состояние Ne(4).Таким образом, схема процесса соударения имеет вид He(5)+Ne(l)—>Не(1)+Ne(4). Этотпроцесс передачи-энергии идет достаточно эффективно, так как разница в энергияхсостояний Не (5) и Ne(4) очень мала. Энергия, которую отдает атом гелия, почтиполностью переходит к атому неона, а небольшой излишек энергии атома гелияпереходит в кинетическую энергию сталкивающихся атомов.Для получения инверсии населенностей важно также соотношение времени жизниуровней 4 и 3 лазерного перехода.
Время жизни верхнего уровня 4 перехода, связанное соспонтанным излучением, должно быть больше, чем у нижнего уровня 3. При этомусловии скорость убывания населенности верхнего уровняменьше скорости убывания населенности нижнего уровня итаким образом возможно поддержание инверсиинаселенностей.
Для гелий-неонового лазера это условиевыполняется, так как время жизни верхнего уровня около10-7 с, а нижнего уровня — около 10-8 с.Атомы гелия являются посредниками при передачеэнергии от быстрых электронов к атомам неона. Поэтомугелий можно назвать вспомогательным, а неон —основным, или рабочим, газом. Вообще существует иобратный, нежелательный, процесс — передача энергии отатомов неона к атомам гелия. Чтобы преобладала передачаэнергии от атомов гелия к атомам неона, необходимо значительное преобладаниеконцентрации вспомогательного газа (гелия) над концентрацией неона. Обычноотношение концентраций гелия и неона составляет 5—15.Следует иметь в виду, что населенность уровня Не(5) определяется числом быстрыхэлектронов и поэтому примерно пропорциональна току разряда.
В то же время имеется217ступенчатый процесс заселения уровня Ne(3) через промежуточный уровень Ne(2),примерно квадратичный числу электронов или току разряда. При больших токах разрядапреобладает второй процесс, поэтому происходит увеличение населенности уровня Ne(3),уменьшается инверсия населенностей перехода 4—3 и возможен срыв колебаний.Для борьбы с этим нежелательным явлением необходимо избегать роста населенностиуровня 2. Причиной, которая может переводить атомы неона из метастабильногосостояния 2 в основное, является соударение атомов со стенками сосуда в результатедиффузии. Поэтому следует облегчить диффузию возбужденных частиц к стенкам.Очевидно, для этой цели необходимо уменьшить диаметр газоразрядной трубки.
Поэтомув гелий-неоновых лазерах диаметр трубки не превышает 10 мм.Особенности устройства и характеристики гелий-неонового лазера. Схема устройствапоказана на рис. 15.15. Зеркала, образующие резонатор, находятся вне газоразряднойтрубки, но возможно расположение зеркал и внутри. Первый вариант имеет следующиепреимущества: упрощает юстировку зеркал для получения оптимального режимагенерации, предотвращает разрушение отражающего слоя зеркал при бомбардировкеионами разряда, упрощает замену зеркал. Однако при внешнем расположении зеркалпоявляются дополнительные потери в торцовых стенках трубки (окнах).
Потери в окнахможно, практически устранить, если угол падения i0 равен углуБрюстера, который определяется соотношением: tgi0=n, где n — коэффициентпреломления. Известно, что при этом угле падения волна, плоскость поляризациикоторой совпадает с плоскостью падения, проходит без отражения, т. е. без потерь.Следовательно, применение таких окон позволяет не только уменьшить потери иоблегчить генерацию, но также дополнительно получить поляризованное излучение.Электрический разряд в смеси газов создается в результате приложения постоянногонапряжения между катодом и анодом, расположенными на концах трубки (см.
рис. 15.15).Для облегчения начала разряда катод иногда делают накаливаемым. Существуютконструкции лазера, в которых разряд возбуждается высокочастотным полем (30—50МГц).На рис. 15.14 была приведена упрощенная схема энергетических уровней. Вдействительности число уровней больше и возможно возбуждение колебаний нанескольких частотах. В гелий-неоновых лазерах получено инфракрасное излучение(λ=3,39 и 1,15 мкм) и видимое излучение (λ=0,63 мкм) с мощностью несколько десятков исот милливатт.Выходная мощность зависит от тока разряда, общего давления в газовой смеси,соотношения парциальных давлений гелия и неона, диаметра разрядной трубки.Зависимость выходной мощности от тока разряда показана на рис.
15.16. При большомтоке разряда (свыше 100—200 мА) выходная мощность уменьшается из-за влиянияпроцесса ступенчатого возбуждения нижнего лазерного уровня неона черезметастабильный уровень 2 на рис. 15.14. При достаточно больших токах (I>400 мА)218генерация срывается. С ростом общего давления в смеси увеличивается концентрацияатомов гелия и неона и растет населенность возбужденных уровней и выходная мощность.Однако при высоком давлении, когда концентрация частиц в разряде становится большой,уменьшается длина свободного пробега электронов и соответственно уменьшаетсяэнергия, приобретаемая электроном на этом пути в электрическом поле.
Последнееприводит к уменьшению энергии, передаваемой атомам гелия, и к снижению выходноймощности. Оптимальное давление ~100 Па.В гелий-неоновом лазере, как и в других газовых лазерах,концентрация частиц невелика (1016—1017 см-3). Поэтому можнопренебречь влиянием взаимодействия частиц на ширину линииизлучения. В специально сконструированных лазерах этого типаона составляет несколько герц и, следовательно, имеетсяпринципиальная возможность получить стабильность частоты водночастотном режиме работы 10-13—10-14.
Реально принятие мерпоповышениюстабильностичастотыобеспечивает-8-10долговременную стабильность частоты гелий-неоновых лазеров 10 —10 . Расходимостьизлучения гелий-неоновых лазеров очень мала и, как правило, составляет 0,1—3 мрад, адиаметр луча 1—3 мм. Гелий-неоновые лазеры относятся к источникам когерентногоизлучения малой мощности. Мощность серийных лазеров не превышает 0,1 Вт. Ресурсработы лазеров, как правило, равен 1000—5000 ч. Гелий-неоновые лазеры имеютнаивысшую временную и пространственную когерентность, т.
е. наивысшуюмонохроматичность и направленность излучения, и высокую стабильность частоты.Ионные лазеры. В гелий-неоновом лазере используют энергетические переходывозбужденных атомов, а в ионных лазерах — переходы между возбужденнымисостояниями ионов инертных газов. В ионных лазерах применяют чистые инертные газы:аргон, криптон, ксенон, неон. Энергетические уровни основного и возбуждаемогосостояния иона расположены гораздо выше уровней возбужденных состоянийнейтральных атомов, поэтому вероятность прямого возбуждения этих уровней очень мала.Считается, что заселение уровней ионов происходит в результате ступенчатоговозбуждения при соударениях электронов с ионами, находящимися в основномсостоянии. Для получения большой мощности необходима высокая концентрация ионов вразряде. Поэтому применяется дуговой разряд с большим током (несколько десятковампер).
Плотность тока достигает 1000 А/см2.Наибольшее распространение получил аргоновый лазер, работающий на квантовыхпереходах между возбужденным состоянием иона Аг+ в видимой области спектра (λ=0,45 - 0,51 мкм).Для повышения плотности разряда в ионных лазерах применяют продольное магнитноеполе, которое удерживает заряженные частицы вблизи оси трубки. Использование поля(0,2—0,4 Т) позволяет увеличить выходную мощность в несколько раз. Мощность ионныхлазеров достигает нескольких ватт.
При увеличении длины газоразрядной трубки до 2 мудалось получить мощность 30—50 Вт. Однако КПД ионных лазеров остается оченьнизким — 0,01—0,1%. Разряд создается в кварцевой трубке небольшого диаметра (1—3мм) с окнами, расположенными под углом Брюстера. Резонатор образован внешнимизеркалами. Капилляр охлаждается проточной водой. Рабочее давление в капилляресоставляет 10—100 Па.
Магнитное поле создается с помощью соленоида, надетого наразрядную трубку..В ионных лазерах с импульсным питанием не требуется принудительное охлаждение.Использование большого тока (>500 А) и меньших давлений газа позволяет создатьионный лазер с импульсной мощностью до 20 кВт и сравнительно высоким КПД (до2190,3%). Импульсная мощность серийных лазеров находится в пределах от нескольких ваттдо 1 кВт, а частота следования импульсов достигает 1 кГц.Ионные газовые лазеры являются основным источником непрерывного импульсногокогерентного излучения в сине-зеленой и ультрафиолетовой областях спектраоптического диапазона. Они находят широкое применение в подводной локации иподводном телевидении, аэрофоторазведке, в медико-биологических и другихисследованиях.Молекулярные лазеры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
